ES2200341T3 - MEASUREMENT PROCEDURE USING LASER TECHNIQUE FOR THREE-DIMENSIONAL OBJECTS. - Google Patents
MEASUREMENT PROCEDURE USING LASER TECHNIQUE FOR THREE-DIMENSIONAL OBJECTS.Info
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Abstract
Description
Procedimiento de medición utilizando la técnica láser para objetos tridimensionalesMeasurement procedure using the technique three-dimensional object laser
La presente invención se refiere a un sistema de medición, asistido por láser, para objetos tridimensionales y superficies complicadas. Los objetos tridimensionales en el sentido de la invención son preferentemente los espacios interiores de edificios con escaleras y corredores, es decir, todos los espacios interiores desde el sótano hasta el desván. Las cavidades geológicas con superficies complicadas se deben citar además como ejemplo, cuya medición es posible con el nuevo sistema utilizando la técnica láser.The present invention relates to a system of Laser-assisted measurement for three-dimensional objects and complicated surfaces. The three-dimensional objects in the sense of the invention are preferably the interior spaces of buildings with stairs and corridors, that is, all spaces Interiors from the basement to the loft. Cavities geological with complicated surfaces should also be cited as example, whose measurement is possible with the new system using the laser technique
En los grupos profesionales de arquitectos, sector de la construcción, peritos y restauradoras, pero también las empresas de levantamientos topográficos, geólogos y arqueólogos, la medición manual de los espacios interiores existentes toma de mediciones o de las cavidades naturales son extraordinariamente frecuentes y en parte, un proceso de trabajo complicado, que lleva consigo considerables dispendios de tiempo y de personal. Además, a través del factor "hombre" se presentan errores e inexactitudes de medición, que no se pueden eliminar con mediciones repetidas. En este contexto hay que constatar que mediante los procedimientos usuales, en el que se determinan manualmente suficientes puntos de medición, son inevitables otras inexactitudes en el sentido de la representación deformada.In the professional groups of architects, construction sector, experts and restorers, but also surveying companies, geologists and archaeologists, manual measurement of interior spaces Existing measurements or natural cavities are extraordinarily frequent and partly a work process complicated, which takes considerable time constraints and of personal. In addition, through the "man" factor they are presented measurement errors and inaccuracies, which cannot be eliminated with repeated measurements. In this context it should be noted that by the usual procedures, in which they are determined Manually enough measuring points, others are unavoidable inaccuracies in the sense of deformed representation.
Es conocido desde hace años llevar a cabo mediciones de edificios por métodos fotogramétricos. Con ello hay que constatar que:It has been known for years to carry out measurements of buildings by photogrammetric methods. With that there are to verify that:
- \bullet?
- La evaluación de las mediciones existentes como fotografía digitalizada está automatizada hasta ahora como un máximo en zonas parciales, teniendo lugar en su mayor parte el reconocimiento y determinación de los límites del objeto (bordes y gargantas) de forma manual.The evaluation of existing measurements as a photograph digitized is automated so far as a maximum in zones partial, for the most part the recognition and determination of the limits of the object (edges and throats) of manual form
- \bullet?
- Debido al ángulo de apertura limitado o de la fuerte distorsión de los bordes con grandes ángulos de apertura ("ojo de pez") se miden casi exclusivamente fachadas o detalles arquitectónicos.Due to the limited opening angle or strong edge distortion with large opening angles ("fisheye") are measured almost exclusively facades or architectural details.
- \bullet?
- El gran dispendio manual y con ello los costes que lleva consigo son muy elevados. Además, con el procedimiento de medición disponible actualmente sólo es posible medir como máximo 300 puntos por jornada de trabajo.The great manual dispensing and with it the costs that it carries are very high. In addition, with the measurement procedure available Currently it is only possible to measure a maximum of 300 points per day of work.
Un método de medición en relación con la técnica láser es el procedimiento del tiempo de propagación de los impulsos. Un impulso de luz extremadamente corto es emitido por una fuente láser y desviado por una espejo que gira con una elevada velocidad angular. Estos impulsos de luz se reflejan por un objeto de medición que se encuentra hasta 50 metros de distancia y se registran por un receptor existente en el escáner láser. Se mide el tiempo entre la emisión y la recepción y con ello se determina la distancia al objeto de medición explorado para cada rayo y para cada punto de la superficie explorada. Este método de medición, mediante un único impulso de luz individual, desde el emisor al punto de medición y retorno al receptor se denomina "procedimiento de tiempo de propagación del impulso".A measurement method in relation to the technique Laser is the procedure of the propagation time of impulses An extremely short pulse of light is emitted by a laser source and deflected by a mirror that rotates with a high angular velocity. These pulses of light are reflected by an object measurement that is up to 50 meters away and is registered by an existing receiver in the laser scanner. The time between the emission and the reception and with it the distance to the object of measurement scanned for each ray and for each surface point explored. This measurement method, by a single pulse of individual light, from the emitter to the point of measurement and return to the receiver is called the "procedure of impulse propagation time ".
En éste contexto, se debe remitir al documento DE 43 40 756 A1 con el título "Determinación de la distancia por láser". Un radar láser presenta un láser de impulsos, que emite los impulsos de luz controlados en una zona de medición, una disposición de fotorrecepción, que recibe los impulsos de luz retornados por el objeto que se encuentra en la zona de medición, y un circuito de evaluación que, teniendo en cuenta la velocidad de la luz, a partir del tiempo entre la emisión y la recepción de un impulso de luz, determina una señal de distancia característica para la distancia del objeto. Entre la zona de medición y el láser de impulsos se ha dispuesto un dispositivo de desvío de luz, el cual dirige los impulsos de luz con los ángulos, que se modifican cada vez más, en la zona de medición y al mismo tiempo en el circuito de evaluación emite una señal de posición angular representativa para su posición de ángulo momentánea. El circuito de evaluación determina desde la señal de distancia y la señal de posición angular el lugar del objeto dentro de la zona de medición.In this context, the document DE must be submitted 43 40 756 A1 with the title "Determination of distance by laser. "A laser radar features a pulse laser, which emits controlled light pulses in a measurement zone, a photoreception arrangement, which receives the light pulses returned by the object that is in the measurement zone, and an evaluation circuit that, taking into account the speed of light, from the time between the emission and reception of a light pulse, determines a characteristic distance signal for the distance of the object. Between the measurement zone and the laser of impulses a light deflection device has been arranged, the which directs the light pulses with the angles, which are modified more and more, in the measurement zone and at the same time in the evaluation circuit emits an angular position signal representative for its momentary angle position. The circuit evaluation determines from the distance signal and the signal from angular position the place of the object within the zone of measurement.
La cantidad de los valores de distancia obtenidos en un plano por encima de un semicírculo se designa a continuación como "abanico de medición".The amount of distance values obtained in a plane above a semicircle is designated below as a "measuring fan".
Los ejemplos explicados muestran que no es posible, empleando la técnica moderna, como, por ejemplo, con cámaras digitales o empleando la técnica láser, medir espacios tridimensionales de forma racional y con suficiente exactitud, como por ejemplo, es necesario en la toma de mediciones. No es posible con objetos grandes tridimensionales preparar en la oficina valores de medición en el sentido de un sistema de datos general, de tal manera que con ello se disponga de todas las mediciones del objeto tridimensional para el posterior procesado. Como se ha dicho al principio, la evaluación de fotos digitalizadas (sólo es posible la automatización parcialmente) tampoco significa ninguna simplificación en la medición de los objetos.The examples explained show that it is not possible, using modern technique, such as with digital cameras or using the laser technique, measure spaces three-dimensional rationally and with sufficient accuracy, such as For example, it is necessary when taking measurements. It's not possible with large three-dimensional objects prepare values in the office of measurement in the sense of a general data system, of such so that all object measurements are available three-dimensional for further processing. As said to principle, the evaluation of digitized photos (only the partially automation) does not mean any Simplification in measuring objects.
Según el documento DE 42 10 245 C2 se describe un sistema de registro topográfico para un cuerpo volante para la exploración del terreno. Con ello se trata de un procedimiento de medición topográfico, que para la evaluación de la medición necesita las coordenadas absolutas. Éstas se preparan mediante sistemas GPS y en el INS (sistema de navegación inercial) existente en los aviones. Del estado de la técnica se dice en el citado documento DE 42 10 245 C2, que mediante la búsqueda de puntos de imagen homólogos es posible en una etapa de preparación de señales subsiguientes, calcular, a partir de las señales de la imagen para los datos de orientación de vuelos necesarios para la evaluación en todos los seis grados de libertad seleccionados y preparar cintas de imágenes estereoscópicas o un modelo tridimensional del terreno sobrevolado en forma digital. Con el perfeccionamiento del estado de la técnica mediante la invención correspondiente al documento DE 42 10 245 C2 se necesitan también otros datos absolutos. Empleando una cámara de líneas y un sensor de distancia, a la que se conecta en serie una etapa de procesado de señales, sin lograr la localización de puntos de imagen homólogos para el cálculo de cintas de imágenes estereoscópicas. La correlación de puntos de imagen homólogos exige, sin embargo, un dispendio de cálculo elevado y se hacen propuestas para solucionarlo. Con este procedimiento, se mide mediante el sistema de registro topográfico en cintas paralelas. No es adecuado en ningún caso para la visualización de espacios interiores y medición de 3D.According to DE 42 10 245 C2, a topographic record system for a flying body for terrain exploration. This is a procedure of topographic measurement, which for the evaluation of the measurement you need The absolute coordinates. These are prepared using GPS systems and in the INS (inertial navigation system) existing in the planes. The state of the art is said in the aforementioned document DE 42 10 245 C2, which by searching for image points homologues is possible at a stage of signal preparation Subsequent, calculate, from the image signals to the flight orientation data necessary for the evaluation in all six degrees of freedom selected and prepare tapes of stereoscopic images or a three-dimensional terrain model Overwhelmed in digital form. With the improvement of the state of the technique by the invention corresponding to document DE 42 10 245 C2 other absolute data are also needed. Using a line camera and a distance sensor, to which it connects in series a stage of signal processing, without achieving location of homologous image points for the calculation of image tapes stereoscopic. The correlation of homologous image points requires, however, a high calculation expense and proposals are made in order to solve it. With this procedure, it is measured by topographic record system in parallel tapes. It is not apropiate in no case for the visualization of interior spaces and 3D measurement.
La presente invención tiene por objeto proponer un procedimiento de medición, preferentemente para espacios interiores, con el cual tiene lugar una medición óptima automatizada única, y evaluación asistida por ordenador, y con ello se dispone de todos los datos de medición, incluso objetos complicados. La presente invención tiene en éste contexto, además, el objetivo de permitir una visualización completa del espacio 3D a partir de los valores de medición digitales.The present invention aims to propose a measurement procedure, preferably for spaces interiors, with which an optimal measurement takes place unique automated, and computer-assisted evaluation, and with it all measurement data, including objects, are available complicated The present invention also has, in this context, the objective of allowing a complete visualization of the 3D space to from the digital measurement values.
De acuerdo con la invención se consigue este objetivo como se indica a continuación, remitiéndose en cuanto a la solución inventiva básica a la reivindicación 1. Las otras configuraciones de la invención resultan de las subreivindicaciones 2 a 6.In accordance with the invention this is achieved objective as indicated below, referring to the basic inventive solution to claim 1. The others configurations of the invention result from the subclaims 2 to 6
Para realizar el procedimiento según la invención, se debe realizar, además que el abanico esté dispuesto verticalmente y moverse horizontalmente. Mediante este procedimiento se suministra una cantidad de puntos dispuestos en forma de rejilla en las superficies que limitan un entorno esférico, junto con su distancia al punto de medición.To perform the procedure according to the invention must also be carried out in addition to the fan being arranged vertically and move horizontally. By this procedure a number of grid-arranged points are supplied on surfaces that limit a spherical environment, along with its distance to the measuring point.
Para que se pueda captar un espacio tridimensional, debe girar el abanico de medición 360º. Para obtener un número de puntos de medición que es necesario para la precisión que es necesario en la practica, se debe seleccionar con esta rotación las distancias de medición por debajo de 0,25º.So that a space can be captured three-dimensional, you must rotate the measuring fan 360º. For obtain a number of measurement points that is necessary for the precision that is necessary in practice, should be selected with This rotation measuring distances below 0.25º.
Los valores de medición de los diferentes abanicos de medición se transmiten en tiempo real a un ordenador de mando. Mediante el gran número de valores de medición y en ayuda de compensación estática realizada por el software de evaluación se consigue una precisión relevante para la práctica, así como un tiempo justificable para una medición en todo el alrededor. El tiempo de medición total para todo un espacio interior es de aproximadamente 4 min., previendo el procedimiento una velocidad variable del dispositivo de rotación. De este modo se puede adaptar la medición a las necesidades locales. De acuerdo con el procedimiento, cada valor de medición está digitalizado y está en una relación matemática con su punto vecino. La nube de puntos existente corresponde a la superficie de la envoltura del espacio interior se evalúa de tal forma que los puntos se pueden asignar a grupos. Mediante regresiones bidimensionales se recogen matemáticamente estas relaciones en una estructura de superficies. Se originan de este modo la expresión analítica de un plano en el espacio. De acuerdo con la posición y el incremento se pueden definir diferentes tipos de planos. Dos planos se combinan como sus superficies de corte proporcionan rectas para la estructura de un modelo alámbrico de 3D con el dimensionado como dibujo CAD conforme a la forma.The measurement values of the different Measuring fans are transmitted in real time to a computer I send. Through the large number of measurement values and in aid of static compensation performed by the evaluation software is achieves an accuracy relevant to practice, as well as a Justifiable time for a measurement all around. The Total measurement time for an entire interior space is approximately 4 min., the procedure anticipating a speed rotation device variable. This way you can adapt Measurement to local needs. According to procedure, each measurement value is digitized and is in a mathematical relationship with its neighboring point. Point cloud existing corresponds to the surface of the space envelope interior is evaluated in such a way that points can be assigned to groups Two-dimensional regressions are collected Mathematically these relationships in a surface structure. This results in the analytical expression of a plane in the space. According to the position and the increase can be Define different types of planes. Two planes are combined as their cutting surfaces provide straight for the structure of a Wired 3D model with dimensioning as compliant CAD drawing to form.
Hay que añadir que paralelamente a la medición periférica, con el escáner láser se puede captar adicionalmente el espacio a medir a través de una cámara digital. Las imágenes digitales pueden proporcionar con el proceso de trabajo "evaluación de los datos de medición" y con eventuales trabajos de seguimiento de los datos del objeto informaciones adicionales. Además, en representación de los datos del objeto se pueden generar complementariamente representaciones fotorrealistas del objeto a medir.We must add that in parallel to the measurement peripheral, with the laser scanner you can additionally capture the space to be measured through a digital camera. The images digital can provide with the work process "evaluation of measurement data" and with any work monitoring the object data information additional. In addition, representing the object data, can additionally generate photorealistic representations of the object to be measured.
Mediante un ejemplo de realización se explicará ahora la invención.An embodiment will explain Now the invention.
Las diferentes figuras muestran:The different figures show:
La figura 1, el esquema de bloques según el procedimiento de medición,Figure 1, the block diagram according to the measurement procedure,
La figura 2, el dispositivo de nivelación con representación del movimiento en abanico de medición,Figure 2, the leveling device with representation of the measurement fan movement,
La figura 3, la disposición de los puntos de medición.Figure 3, the arrangement of the points of measurement.
Los números de referencia empleados significan:The reference numbers used mean:
1 escáner láser1 laser scanner
2 videocámara2 camcorder
3 dispositivo de alojamiento3 hosting device
4 dispositivo de evaluación4 evaluation device
5 trípode5 tripod
6 ordenador de mando6 command computer
7 suministro de corriente7 power supply
8 flujo de energía8 energy flow
9 flujo de información9 information flow
10 unión de material (unión mecánica)10 material joint (mechanical joint)
11 abanico de medición11 measuring fan
12 interrupción automática12 automatic interruption
El escáner láser 1, que trabaja según la medición del tiempo de propagación de los impulsos, está en condiciones de medir la distancia a cualquier objeto con una precisión de \pm1 mm en una zona de 200 m de diámetro. Mediante el mando correspondiente del escáner láser 1 en el proceso de medición se mide en todas las superficies de un recinto. Según la figura 2 se puede ver, qué impulsos de luz son necesarios para las representaciones en forma de abanico (abanico de medición 11) y cómo el abanico de medición 11 gira 360º.The laser scanner 1, which works according to the measurement of the propagation time of the impulses, is in conditions of measure the distance to any object with an accuracy of ± 1 mm in an area of 200 m in diameter. By command Corresponding laser scanner 1 in the measurement process will measures on all surfaces of an enclosure. According to figure 2, you can see, what light pulses are necessary for the fan-shaped representations (measuring fan 11) and how the measuring fan 11 rotates 360º.
En el trípode 5 se ha dispuesto el dispositivo de nivelación 4, el dispositivo de alojamiento 3 para el escáner láser 1 y la videocámara 2 (cámara digital). La unión 10 entre estos componentes tiene lugar mediante uniones mecánicas.On tripod 5, the device for leveling 4, the housing device 3 for the laser scanner 1 and camcorder 2 (digital camera). The union 10 between these Components takes place by mechanical joints.
Según la figura 1, se puede reconocer partiendo del suministro de corriente 7 del flujo de energía 8. El flujo de información 9 tiene lugar entre ordenador de mando 6 y el dispositivo de nivelación automática 4, situado entre el ordenador de mando 6 y el dispositivo de alojamiento 3 (con accionamiento eléctrico) así como entre el ordenador de mando y el escáner láser 1 y además la videocámara 2. Con el número de posición 12 se designa una interrupción automática y retorno a "cero" = arranque con imprecisión.According to figure 1, it can be recognized by starting of the current supply 7 of the energy flow 8. The flow of information 9 takes place between control computer 6 and the automatic leveling device 4, located between the computer control 6 and housing device 3 (with drive electrical) as well as between the control computer and the laser scanner 1 and also camcorder 2. With position number 12 you designates an automatic interruption and return to "zero" = Start with inaccuracy.
Hay que destacar que el dispositivo de alojamiento gira continuamente 360º en pasos de 0,25º. Para ello la dirección de un abanico de medición no se ha dibujado ortogonalmente a la dirección de rotación horizontal, sino como en la figura 3. Porque con ello no se alcanzan con varias mediciones realizadas una tras otra los mismos puntos, no se pueden utilizar la compensación de los valores de medición realizador internamente en el escáner láser. Sin embargo, debido al número de los valores de medición que se producen es posible una compensación estática en el software de evaluación. De este modo se consigue una precisión de los resultados relevante en la práctica después de la evaluación.It should be noted that the device Housing continuously rotates 360º in 0.25º steps. To do this the address of a measuring fan has not been drawn orthogonally to the direction of horizontal rotation, but as in figure 3. Because this is not achieved with several measurements made a after another the same points, compensation cannot be used of the measurement values made internally in the scanner To be. However, due to the number of measurement values that static compensation is possible in the software evaluation. In this way you get an accuracy of the results relevant in practice after evaluation.
La evaluación de los datos de medición se lleva a cabo independientemente del tiempo de la captación en el ordenador de evaluación. El programa de evaluación se encarga - en caso necesario en diálogo con el operador del reconocimiento - de los diversos elementos del objeto. Los puntos de medición se asignan para ello a las superficies límite de un recinto. Para ello la dispersión de los valores de medición se tiene en cuenta y se consigue una mejora de la precisión mediante la formación de valores medios del extenso material numérico (aproximadamente 100.000 a 200.000 valores por pared)The evaluation of the measurement data takes out regardless of the time of collection on the computer of evaluation. The evaluation program is in charge - in case necessary in dialogue with the recognition operator - of the various elements of the object. Measuring points are assigned for it to the limit surfaces of an enclosure. To do this the Dispersion of the measured values is taken into account and achieves an improvement in accuracy by forming average values of the extensive numerical material (approximately 100,000 to 200,000 values per wall)
Con estructuras complicadas y puntos de medición críticos, como, por ejemplo, los puntos de partida de medición contigua, por el operador, mediante la compensación con los registros de la cámara digital, se muestran sincronizados con los valores de medición y de los elementos ya reconocidos en la pantalla, que controla y eventualmente corrige la interpretación.With complicated structures and measuring points critics, such as measurement starting points contiguous, by the operator, by compensating with the digital camera records, are synchronized with the measurement values and of the elements already recognized in the screen, which controls and eventually corrects the interpretation.
Los datos de los diferentes espacios se combinan entre sí y en un modelo del objeto total (de este modo, como por ejemplo, de las superficies límite de los espacios contiguos, se convierten las paredes de estos espacios). Con varios puntos de partida en un espacio se procede de la forma correspondiente. El modelo generado se prepara para una utilización ulterior. Todas las paredes se resuelven en segmentos aislados, que son de formas básicas geométricas. Para ello se reconocen elementos correspondientes. Un operador puede influir este proceso asimismo en el diálogo. El resultado de este paso de trabajo es el archivo en formato "DXF" que representa el objeto medios como dibujo 3D y como por ejemplo, se puede utilizar directamente del AutoCad.The data of the different spaces are combined each other and in a model of the total object (in this way, as per For example, of the boundary surfaces of adjoining spaces, they convert the walls of these spaces). With several points of Departure in a space proceeds accordingly. The generated model is prepared for further use. All walls are solved in isolated segments, which are of shapes Geometric basics For this, elements are recognized. corresponding. An operator can also influence this process in the dialogue. The result of this work step is the file in "DXF" format that represents the media object as 3D drawing and as for example, it can be used directly from AutoCad.
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